Sondeo y Cartografía superficies de los electrodos en pilas de óxido sólido

El objetivo del siguiente experimento es promover la comprensión de los mecanismos de reacción y degradación de electrodos de óxido sólido, pilas de combustible o SOFC para celdas que funcionan con combustibles contaminados con hidrocarburos y azufre. Por lo tanto, proporciona información sobre el diseño racional de los materiales SOFC. Esto se logra fabricando celdas con un electrodo de trabajo que consiste en un electrodo de malla de níquel incrustado en irea, zirconio estabilizado o YSC y probando el rendimiento electroquímico y la estabilidad de las celdas en combustibles que contienen hidrocarburos y sulfuro de hidrógeno.

Como segundo paso, la espectroscopia Raman se realiza en el electrodo de malla en dos condiciones in situ U y XE, lo que proporciona información sobre las especies químicas y las fases involucradas en la degradación del electrodo, dónde ocurre la degradación y cómo podría prevenirse. A continuación, se utilizan técnicas de microscopía de sonda de barrido para caracterizar el electrodo con el fin de visualizar la degradación del electrodo y la morfología de la superficie a escala nanométrica. La principal ventaja de estas técnicas sobre otros métodos de análisis de superficies, como los prospies SPECT electrónicos, es que no requieren un alto vacío para su funcionamiento.

Estos métodos pueden ayudar a recopilar información útil en el campo de las pilas de combustible de óxido sólido, como la naturaleza de los mecanismos que determinan el rendimiento y la degradación del electrodo. Las implicaciones de estas técnicas se extienden hacia la oscopia microscópica y los procesos de transformación de energía. Por lo tanto, serían de interés para científicos maduros, electroquímicos, copias especiales y otros intereses.

Sin embargo, estas técnicas se han desarrollado para sondear y mapear los procesos de la superficie del electrodo en celdas de combustible de óxido salino. También se pueden aplicar a sistemas electroquímicos como baterías y supers. Para comenzar a fabricar la celda del ánodo, pese dos lotes de dos décimas de gramo de polvo YSZ utilizando una prensa en seco uniaxial y un molde cilíndrico de acero inoxidable.

13 milímetros de diámetro comprime un lote de polvo YSZ a una presión de 50 megapascales durante 30 segundos. Luego corte una pieza de menos de un centímetro de tamaño, malla de níquel 50 tejida con alambre de 50 micrómetros, y colóquela en la superficie del disco Z de alambre dentro del molde. A continuación, agregue las otras dos décimas de gramo de polvo YSC encima de la malla de níquel dentro del molde y aplane la superficie del polvo con un ariete.

Presione el sándwich de malla de níquel entre paquetes de polvo YSC uni axialmente, y una presión de 300 MegaPath escala durante 30 segundos. Ahora extraiga el pellet de níquel YSC prensado del molde. Coloque el pellet en un crisol de circonio y coloque el crisol en un horno tubular horizontal con una atmósfera de gas reductor que fluye con un 4% de hidrógeno molecular y un 96% de argón.

Dispare el perdigón a 1.440 grados SIU durante cinco horas después de que el electrodo se haya fabricado y enfriado. Muela mecánicamente una cara del alambre C centrado de la muestra, utilizando un grano de diamante de seis micrómetros hasta que se revele la superficie de la malla de níquel. Continúe puliendo la superficie expuesta de la malla de níquel utilizando medios de diamante de tres micrómetros, un micrómetro y 0,1 micrómetros en una suspensión de etilenglicol al agua durante aproximadamente un minuto en cada etapa de pulido para producir una malla con mayor resistencia al colado.

Después de limpiar y secar, coloque la muestra y entierre el polvo de amida en el crisol para que no se toquen. A continuación, cocine la muestra a 1.200 grados centígrados durante dos horas en una atmósfera reductora. Prepare la muestra para la prueba electroquímica pintando con pincel pasta de plata en la superficie del alambre C opuesta a la malla de níquel para que actúe como contraelectrodo.

Después del secado, conecte un alambre de plata enrollado al contraelectrodo con pasta de plata y conecte un alambre de plata de 0,2 milímetros de diámetro a la malla de níquel con pasta de plata en la punta. Después de secar la muestra, nuevamente, selle la celda con la malla de níquel hacia abajo sobre un tubo de fijación de celda cerámica de tres octavos de pulgada usando un sello remco 5 5 2, también conocido como enlace cera. Después de que el sellador se seque, conecte los cables de plata aislados a los cables conductores del electrodo.

A continuación, monte el accesorio de celda en un horno tubular. Conecte el accesorio a una línea de gas y conecte los cables al equipo de prueba electroquímica. A continuación, burbujea gas de hidrógeno molecular de ultra alta pureza a través de agua a temperatura ambiente para humidificarla al 3% de volumen de agua.

Dirija este gas humidificado a través del dispositivo de celda a una velocidad de 50 centímetros cúbicos estándar por minuto. Después de calentar correctamente la celda y centrar el contraelectrodo de plata, llame a la celda a 767 grados Celsius para realizar pruebas de rendimiento electroquímico. Una vez realizada la prueba y preparada la muestra para la caracterización, fije la célula con cinta adhesiva o adhesivo a la placa de la etapa del microscopio ramen con el ánodo de malla hacia arriba.

Con el láser enfocado en una interfaz de níquel y sustrato YSC, configure el ariete y el espectrómetro para obtener espectros de las intersecciones de una cuadrícula rectangular. Superponiendo el área de la interfaz con intersecciones separadas por dos micrómetros, los espectros deben centrarse alrededor del número de onda correspondiente al modo Raman de interés. En este caso, se eligen 980 centímetros inversos para los óxidos de azufre.

El siguiente paso es integrar la intensidad sobre el modo Raman de interés para cada espectro y dividirla por una línea de base plana con el mismo espectro, la intensidad relativa se puede trazar en un mapa de contorno y color con respecto a sus coordenadas. Para controlar la codificación del ánodo, use pasta de plata para sellar la malla de níquel incrustada en el alambre C al borde de una etapa de la cámara de reacción de alta temperatura harrick scientific ramen hacia arriba. A continuación, tapa la cámara de la etapa de ramen.

A continuación, monte la cámara de muestras en el microscopio rama con un límite C de alambre de níquel a la vista y comience a fluir gas humidificado con 4% de hidrógeno molecular y 96% de argón a través de la cámara a aproximadamente 100 centímetros cúbicos estándar por minuto. Ahora caliente la cámara de ramen a 625 grados centígrados. Enfoque el láser y recoja escaneos de ramen de referencia de puntos en la malla de níquel y el sustrato YSC en el rango de 150 a 2000 centímetros inversos.

A continuación, introduzca de tres a 5% de propano en el flujo de gas y recoja el ariete y los espectros del níquel a intervalos regulares mientras el gas fluye para observar la deposición de carbono en la superficie a lo largo del tiempo. La lámina de níquel puro se utiliza para la visualización de la deposición de carbono mediante microscopía de fuerza atómica o una microscopía FM y de fuerza electrostática o EFM utilizando un cupón cuadrado de 10 mililitros por un mililitro cortado de papel de níquel pulido de una cara del cupón hasta el grado de 0,1 micrómetros. Siguiendo los pasos utilizados anteriormente en un horno revestido de tubo de cuarzo a 550 grados Celsius, expuso el cupón de níquel pulido a un gas fluido humidificado que contenía un 10% de propano equilibrado por Argonne durante un minuto.

A continuación, retire la muestra del horno y del revestimiento del tubo de cuarzo. Inspeccione la morfología de la superficie mediante microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido para preparar la muestra para su estudio mediante microscopía de fuerza atómica y microscopía de fuerza electrostática. Monte la muestra en un disco de metal con cinta conductora de cobre.

Después de esto, instale una base de silicona de tipo final, una punta FM o una punta FM conductora en el soporte de la punta. Ahora lleva la muestra a la FM A. A continuación, recopile una imagen de morfología utilizando un FM en modo de pulsación para recopilar información en el modo de elevación. Comience con la altura de elevación a 100 nanómetros y disminuya gradualmente hasta aproximadamente el valor de la rugosidad de la superficie para que la interacción electrostática pueda ser lo suficientemente fuerte para la obtención de imágenes EFM.

Escanee la muestra a la altura adecuada en el modo de elevación. Para recopilar información sobre la topografía y el ángulo de fase. Identifique una fase clara o una interfaz morfológica y recopile una serie de escaneos de línea EFM a través de esta interfaz mientras cambia el sesgo de la muestra.

A continuación, identifique el voltaje al que se invierte el contraste entre las dos fases comparando los escaneos de línea EFM a diferentes potenciales de polarización de la muestra. A continuación, recoja una imagen completa utilizando una polarización de muestra que esté entre uno y dos voltios por debajo del voltaje del interruptor y recoja otra imagen con la polarización de la muestra de uno a dos voltios por encima del voltaje del interruptor. El área cubierta por carbono aparece brillante cuando la muestra tiene un sesgo negativo y aparece oscura cuando está sesgada positivamente al escanear la superficie de la muestra.

En este modo, se puede obtener la distribución y la morfología superficial de la deposición de carbono. Se probó el rendimiento del electrodo de malla de níquel tanto en condiciones de hidrógeno molecular como de sulfuro de hidrógeno. Resultados típicos para curvas de voltaje de corriente y potencia de corriente a 767 grados Celsius como se muestra aquí, la introducción de solo unas pocas partes por millón de sulfuro de hidrógeno puede causar una degradación considerable del rendimiento.

Aquí hay gráficos de Nyquist para la celda antes y después de que el ánodo se expusiera a combustibles que contenían cero y 20 partes por millón de sulfuro de hidrógeno a 767 grados Celsius. La espectroscopia de impedancia de CA de la celda se realizó en condiciones de voltaje de circuito abierto. La curva izquierda es el comportamiento típico de envenenamiento, y el lado derecho es el comportamiento típico de recuperación de la célula a 767 grados Celsius.

Menos de 20 partes por millón de sulfuro de hidrógeno y polarización de CC de menos tres décimas de voltios. Tanto el envenenamiento como la recuperación parecen terminar y alcanzar el estado estacionario en unos pocos minutos, lo cual es diferente de los largos tiempos de recuperación necesarios para el alambre de níquel más grueso. Odes estudió previamente una micrografía óptica.

La interfaz C de alambre de níquel se muestra a la izquierda. Un mapa de ramen de la misma zona está a la derecha. El mapa de ramen muestra la intensidad de un modo asociado con varios óxidos de azufre.

Las especies se observaron exclusivamente en la superficie de níquel y se concentraron lejos de los límites de la triple fase. Esta imagen es una micrografía óptica de la malla de níquel incrustada en YSZ. Esta imagen es la misma malla después de la exposición a gas que contiene propano a 625 grados centígrados durante 15 horas.

La figura de la derecha es un espectro Raman recogido in situ de los puntos marcados en la micrografía óptica de la izquierda después de 15 horas de exposición al propano. A la derecha se muestra un plus del cambio en la señal de ramen de carbono. Intensidad recogida a lo largo del tiempo desde la ubicación identificada por el punto verde en la micrografía óptica de la izquierda.

Estos dos paneles permiten la comparación de la malla de níquel YSC modificada con óxido de barrera para dar una mayor resistencia a la coformación en las mismas condiciones que la malla no modificada. Ambos han estado expuestos a gas propano a 625 grados centígrados durante 15 horas. Esta imagen de microscopio electrónico de barrido muestra las manchas oscuras homogéneas formadas en la superficie del níquel después de que se expuso a gas con cierto contenido de propano.

A la izquierda están las imágenes del microscopio de fuerza atómica de regiones con diferentes niveles de coing. Estas mismas regiones también se visualizan utilizando microscopía de fuerza electrostática a la derecha mientras se intenta este procedimiento. Es importante recordar que algunas superficies están lo más libres posible de otros contaminantes, como los medios pulidos.

No olvide que trabajar con hornos de alta temperatura y gases inflamables puede ser extremadamente peligroso y se deben tomar las precauciones adecuadas, como usar equipo de protección y usar las alarmas adecuadas. Espero que este video haya ilustrado cómo obtener información sobre los procesos de la superficie del electrodo en celdas de combustible de óxido de celda que lo ayudará a diseñar mejor los materiales de los electrodos.